CPU散热原理及散热方式浅析

秦晓琪　韩楚文

摘要：分析了三种常见热传递的基本原理及影响传热效果的因素，在此基础上，剖析了CPU常见四种散热方式的工作原理、用到的热传递技术及不同散热方式的特点，并结合散热原理给出了CPU散热系统日常维护的方法；最后，给出了的对中学生的学习启示。

关键词：热传递；CPU；散热

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2017）10-0210-02

CPU是计算机系统的核心，其可靠性是整个计算机系统可靠的基础，CPU可靠性对温度十分敏感，研究表明，55%的CPU失效是由过热引起的。如何高效冷却CPU已成为重要和紧迫的问题，本文将对CPU散热技术的最新研究进展进行浅析。

1.热传递的基本原理

热传递主要包括传导、对流、辐射三种方式。不同热传递方式具有不同的原理、特点和不同的热传递效果。

1.1热传导

依靠物质的分子、原子或电子的运动，使热量通过直接接触的物体，从高温部位向低温部位传递。影响热传导的主要因素包括：温差、导热系数及导热物体的截面积，一般来说，固体的导热系数比液体的大，而液体的又要比气体的大，因此，在散热应用场合，多用金属或水作为热传导载体。

1.2热对流

通过流动介质（液体或气体），使热量从温度较高处向低温处传递。对流是液体和气体中热传递的特有方式。在散热应用场合，多采用强迫对流方式，通过加快导热液体或气体的流动速度，达到良好的对流传热效果。

1.3热辐射

不依靠其他媒介直接将热量向物体或系统外传递。

2.CPU散热的工作方式及其特点分析

通过前面对三种热传递工作原理的分析不难发现，对CPU散热来说不宜采用热辐射方法，大多采用热传导与热对流及其组合方法。

2.1风冷法

是一种基于金属热传导和空气热对流方式的CPU降温方法。该方法在CPU上安装金属散热片，并在散热片上安装小风扇，让空气强迫对流带走CPU工作时产生的热量。现在的主板大多具有智能风扇控制功能，当CPU温度不高时（如37°C度），CPU风扇转速控制在每分钟1000-2000转之间，当CPU处于高温时，风扇可满速运行于每分钟3000-5000转。

风冷法因其简单、实用且价格低廉在台式机得到普遍采用。但风冷法冷却效率低，最多只能排出CPU产生热量的60%，在应用过程中也面临诸多限制，主要包括：

1）CPU最高温度不超过90°C；

2）环境温度不宜超过40°C；

3）CPU的功率不宜超过200W；

4）风扇空气流量单位不宜大于40cfro（Cubic Feet per Min-ute）。

2.2水冷法

是一种基于金属热传导和水对流方式的CPU降温方法。该方法采用密封性良好的金属水槽贴在CPU表面，然后通以水循环系统，将CPU工作时产生的热量带走。为了进一步提高水冷法的散热效果，还常常在水冷系统的散热片上加装风扇，以快速降低水冷液的温度，实现良好的降温效果。水冷法虽然系统较为复杂，但其降温效果明显优于风冷法，且适用范围更广，在中、高档机及大型服务器中得到了广泛的应用。

2.3半导体致冷片法

是一种基于半导体热传导与空气热对流相结合的主动CPU降温方法。该方法基于帕尔贴效应，采用陶瓷封装的半导体串联构成温差电偶，利用通直流电时，温差电偶一端吸热（称为冷端），另一端放热（称为热端）的原理，通过冷端将CPU工作时产生的热量传递到热端，并通过风冷法把热端的热量带走，从而实现对CPU降温的目的。半导体致冷具有无需任何制冷剂、寿命长、安装简单，还可通过控制电流实现高精度的温度控制。在使用过程要防止因冷面温度过低而出现的CPU结露，从而导致短路的现象。

2.4热管散热技术

热管是以相变来强化换热的技术。热管一般由密闭容器、毛细结构及低沸点的工作流体三部分构成。工作流体在容器内维持饱和状态，当CPU温度升高时，容易的一端受热，工作流体吸热而汽化，所产生的蒸汽将流向容器另一端温度较低处放热凝结并释放热量；凝结液再借由毛细作用力或重力回流至原加热位置，完成一次热量循环交换。反复进行上述过程，从而不断将蒸发段的热量传送到冷凝段，再通过散热片传递出去。热管导热性能很高，适合在狭小空间中高热量的排放，已经在笔记本电脑散热中得到广泛应用。

3.CPU散熱系统的日常维护

CPU散热系统的效果既与采用的散热技术有关，也与散热系统热传导和热对流环节的工作效率密切相关。为此，应做好CPU散热系统的日常维护工作。

3.1正确使用散热膏

散热膏（也称为散热硅胶）是广泛使用的CPU和散热器之间粘合剂，目标是使CPU和散热器之间充分接触，提高导热效果。在新组装机器和维护CPU散热系统的过程中，建议按下列方法操作：

1）做好涂抹面的清理工作。用细砂布统一朝一个方向轻轻打磨散热器表面，直到露出金属光泽为止。然后用干净的棉布或者脱脂棉球擦拭散热器表面和处理器表面；

2）在处理器靠近边缘点涂上少许导热膏，然后用透明片向一个方向均匀涂抹反复几次，只要处理器表面都被导热膏覆盖就足够了。如果是白色导热膏，能看到处理器上薄薄地覆盖一层半透明的膜，厚度就刚刚好；

3）紧固好扇热器和处理器，使两者接触紧密。

3.2保持散热风道的畅通

由前面的分析可知，四种常见的散热方式都用到了风冷法，只有保持散热风道畅通，才能达到理想的散热效果。可采取的方法包括：

1）经常清理风道中的灰尘和异物，减少它们对风道的阻塞；

2）合理摆放计算机，保持风道进风口和出风口与其他物体间有足够的距离，尤其是不能遮挡进风口和出风口。

4.对中学生的学习启示

CPU散热原理使用的是中学物理中学过的热学知识，通过对CPU散热原理和方法的分析，让我更深刻体会到物理作为基础学科的广泛用途。作为一名中学生，我们不仅要努力学习各门基础知识，为将来的发展打好基础，同时，也要积极探求基础学科在现实生活中的应用，培养我们的创新创业意识。